Off-Grid Renewable Energy Solutions in Fragile Environments: Applications for a Sustainable Future

Eras Almeida, Andrea A. (2020). Off-Grid Renewable Energy Solutions in Fragile Environments: Applications for a Sustainable Future. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM).


Title: Off-Grid Renewable Energy Solutions in Fragile Environments: Applications for a Sustainable Future
  • Eras Almeida, Andrea A.
  • Egido Aguilera, Miguel Ángel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2020
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Electrónica Física, Ingeniería Eléctrica y Física Aplicada
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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The 2030 Agenda on Sustainable Development has highlighted the key role of energy in addressing poverty worldwide. Within this framework, its Goal 7 “ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy” is linked to other Sustainable Development Goals (SDGs) by three fundamental dimensions: human development, sustainable economic growth, and environmental sustainability. However, achieving the SDG7 is not an easy task, considering, for example, the great political differences among countries and the limitations in accessing funding by the least developed regions. Even though the tracking of the SDG7 shows great progress, governments still remain far from fulfilling their targets. The global renewable energy share is only 11% and 840 million people still lack access to electricity. These indicators show that the energy transition process is below expectations and commitments. In this regard, special attention is needed for the most disadvantaged environments such as small islands and rural areas in developing countries. Both contexts face great challenges to guarantee the provision of goods and services such as electricity, which, in turn, frustrates their opportunities for sustainable development. In general terms, small islands are highly dependent on fossil-fuel-based generation systems which increases electricity costs; and, rural areas, where an electrical grid extension is often infeasible, thus the areas lack an electricity service. Furthermore, even though small islands and rural areas contribute least to climate change, they are severely impacted by its negative consequences. The objective of this PhD thesis is to study off-grid renewable energy systems to support the increase in renewable energy share on islands and access to electricity in rural communities. This research is focused on the islands from the Pacific Ocean and the Latin America region, respectively. This thesis aims to prove the feasibility of mature renewable energy technologies to reduce energy vulnerability in these contexts and aims to be a showcase to boost similar actions in other regions. The present PhD thesis is structured as a compendium of articles following the regulation of the Universidad Politécnica de Madrid. Thereby, in the first part of the thesis, the state of the art of hybrid renewable mini-grids of small islands is presented by a comparison among cases studies from the Atlantic and Arctic, Pacific and Indian Oceans, and the Caribbean and Mediterranean Seas. This review also presents new definitions of business models identified to support the introduction of renewable energy in these contexts. The results show that the least developed islands, especially from the Pacific Ocean need an effective regulatory framework and innovative business models for better outcomes in the implementation of renewable energy technologies, which also requires a rethinking of international cooperation. Secondly, the case of the hybrid power system of Baltra–Santa Cruz from the Galapagos Islands has been studied to verify the findings of the first part of this thesis and to propose new ways of decarbonizing this archipelago. This research has been carried out using an energy system modelling tool, considering specific boundary conditions and regarding the vulnerabilities of this context. As result, it has been determined that this system can increase the renewable energy share from just 18% to 39% by installing PV technology (18.25 MWp) and electromechanical battery systems (20.68 MWh), which would reduce the cost of electricity from 32.06 to 18.95 USc/kWh. Even more, these outcomes would be improved through the parallel implementation of energy efficiency means. Considering the ecological value of these islands and to prevent the possible impact on the environment of large renewable power plants, the feasibility of distributed generation on the island of Santa Cruz has been studied. The findings show that there is a PV potential of 18 MWp at the urban level, and its implementation by residential and commercial users would reduce electricity bills by more than 50%. Thus, a combination of business models for auctions and citizen energy community models has been proposed to accelerate the islands’ decarbonization, which demands extensive governmental commitment, effective regulations and a greater local awareness on the use of energy. Thirdly, this PhD thesis studies successful off-grid initiatives by focusing on 3rd Generation Solar Home Systems (3G-SHSs) in Peru, Mexico, and Bolivia. The evidence shows that confidence, commitment, and flexibility are the main pillars of rural electrification. Furthermore, the results reveal that a combination of an energy service company (fee-for-service), Pay-As-You-Go, and microfranchising models with 3G-SHSs allows sustainable electricity provision to be guaranteed to the people at the base of the pyramid. Access to electricity must be established as a state policy to avoid failed experiences in this field, to ensure human wellbeing, attract private funds, involve local communities in projects, and to foster the implementation of innovative partnerships and technologies. In summary, this thesis concludes that energy transition requires a deep understanding of contexts to design a combination of suitable business models, establish agreements, and promote cooperation between different stakeholders. Most importantly, this thesis states that every renewable energy initiative must pursue the nexus between energy, environment, and society. ----------RESUMEN---------- La Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible destaca a la energía como un factor clave para la reducir la pobreza en todo el mundo. En este marco, su Objetivo 7 “Garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y moderna para todos” apoya el cumplimiento de otros Objetivos para el Desarrollo Sostenible (ODS) bajo tres dimensiones fundamentales: desarrollo humano, crecimiento económico sostenible y sostenibilidad medioambiental. Sin embargo, alcanzar el ODS 7 no es una tarea sencilla, considerando, por ejemplo, las grandes diferencias políticas entre países y las limitaciones de acceso a financiación para países menos desarrollados. A pesar de que la evaluación en el cumplimiento del ODS 7 ha mostrado grandes progresos, muchos gobiernos aún están lejos de cumplir sus objetivos. La penetración energía renovable es de tan solo un 11% a nivel global y 840 millones de personas todavía no tienen acceso a la electricidad en todo el mundo. Estos indicadores muestran que el proceso de transición energética sigue por debajo de las expectativas y compromisos establecidos. Bajo este escenario, especial atención es necesaria para los entornos más desfavorecidos como lo son las pequeñas islas y las zonas rurales de países en desarrollo. Estos contextos enfrentan grandes retos para garantizar la provisión de bienes y servicios, como por ejemplo, la electricidad, lo que a su vez limita las oportunidades para un desarrollo sostenible. En términos generales, las pequeñas islas son altamente dependientes de sistemas de generación basados en combustibles fósiles lo que incrementa los costes de la electricidad; y, las zonas rurales, donde la extensión de la red eléctrica es frecuentemente inviable, no disponen de acceso a la electricidad. Además, aunque estos entornos contribuyen en menor medida al cambio climático, son los primeros en enfrentar sus efectos adversos. El objetivo de esta tesis doctoral es el estudio de sistemas aislados de generación renovable, con un enfoque diferenciado, para incrementar la penetración renovable en las islas y mejorar los niveles de acceso a la electricidad en zonas rurales. Esta investigación se enfoca principalmente en las Islas del Océano Pacífico y la región de América Latina, respectivamente. Esta tesis demuestra la viabilidad en el uso de tecnologías renovables maduras para reducir la vulnerabilidad energética en los contextos antes mencionados, y sirve de ejemplo para impulsar iniciativas similares en otras regiones. La tesis se estructura como un compendio de artículos conforme la normativa de la Universidad Politécnica de Madrid. De este modo, en la primera parte de la tesis se presenta el estado del arte de las mini-redes híbridas renovables en pequeñas islas a través de un análisis comparativo de casos de estudio de los océanos Atlántico y Ártico, Pacifico e Índico y los mares Caribe y Mediterráneo. En esta revisión se ofrece también una nueva definición de los modelos de negocio para la introducción de tecnologías renovables con base a los modelos identificados en islas. Los resultados muestran que las islas menos desarrolladas, especialmente del Océano Pacífico, necesitan un marco regulatorio efectivo y modelos de negocio innovadores para favorecer la implementación de tecnologías renovables, lo que hace también necesario reformular el papel de la cooperación internacional. En la segunda parte de la tesis, se ha estudiado el caso del sistema híbrido de generación Baltra-Santa Cruz en el archipiélago de Galápagos para verificar los hallazgos de la primera etapa de la tesis y proponer un modelo de descarbonización del sistema de generación. Esta investigación se ha llevado a cabo con la aplicación de una herramienta para el modelado y planificación de sistemas eléctricos, teniendo en cuenta las limitaciones y vulnerabilidades de este contexto. Como resultado, se ha determinado que este sistema de generación puede incrementar su actual penetración renovable de 18% hasta un 39%, instalando 18.25 MWp de capacidad fotovoltaica y 20.68 MWh de baterías, reduciendo así el coste de generación de electricidad de 32.06 a 18.95 USc/kWh. Estos resultados mejorarían con una implementación paralela de medidas de eficiencia energética. Adicionalmente, en consideración al valor ecológico de las islas y para prevenir un posible impacto ambiental sobre el entorno debido a la implementación de sistemas centralizados de generación renovable, se ha estudiado la factibilidad de la generación distribuida en la isla Santa Cruz. Los resultados reflejan que existe un potencial de 18 MWp de solar fotovoltaica en el entorno urbano y que su implementación a nivel residencial y comercial podría reducir las facturas del servicio eléctrico en más de un 50%. En este sentido, esta tesis también propone una combinación de modelos de negocio como subastas y comunidades ciudadanas de energía para impulsar la descarbonización de las islas, lo que requiere de un fuerte compromiso gubernamental, una regulación eficiente y una amplia conciencia local sobre el uso de la energía. La tercera parte de esta tesis estudia iniciativas exitosas en la implementación de Sistemas Solares Domiciliarios de Tercera Generación (3G-SHSs) en Perú, México y Bolivia. La evidencia muestra que la confianza, el compromiso y la flexibilidad son pilares fundamentales en la electrificación rural. Además, los resultados revelan que una combinación de modelos de negocio de Empresas de Servicios de Energía (fee-for-service), Pay-As-You-Go y microfranquicias junto con 3G-SHSs garantiza la sostenibilidad en la provisión de la electricidad a la población en la base de la pirámide. El acceso a la electricidad debería ser definido como una política de estado para evitar experiencias fallidas en este campo, para velar por el bienestar de las personas, atraer financiación privada, involucrar a las comunidades locales en proyectos, y para promover la implementación de alianzas y tecnologías innovadoras. En definitiva, la tesis concluye que la transición energética requiere de un conocimiento profundo del contexto para diseñar una combinación de modelos de negocio de manera adecuada, establecer acuerdos y promover la cooperación entre distintos actores. Además, esta tesis refleja que toda iniciativa en energías renovables debe considerar el nexo entre energía, medio ambiente y sociedad como un aspecto central.

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Item ID: 64803
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.64803
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 20 Oct 2020 06:48
Last Modified: 19 Dec 2021 23:30
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